يُعدّ مفهوم NVH، اختصارًا للضوضاء والاهتزاز والخشونة، أحد أهم جوانب تصميم السيارات الحديثة وأقلها وضوحًا. فبينما يسهل قياس قوة المحرك والتسارع وكفاءة استهلاك الوقود، يُحدد مفهوم NVH تجربة قيادة السيارة. فهو يؤثر على الراحة والجودة المُدركة والإرهاق، بل وحتى القيمة المُدركة للسيارة. في هذه المقالة المُفصّلة، سنتناول كل ما يتعلق بمفهوم NVH في السيارات، بدءًا من معناه وصولًا إلى اختباره.
ما هو مصطلح NVH في السيارات؟
يشير مصطلح NVH إلى الضوضاء والاهتزاز والخشونة، وهو تخصص أساسي في هندسة السيارات يركز على كيفية توليد الصوت غير المرغوب فيه والحركة الميكانيكية، وانتقالها، وإدراكها داخل المركبة. ولا يقتصر مفهوم NVH على نظام واحد، بل يشمل المركبة بأكملها، بدءًا من مجموعة نقل الحركة ونظام التعليق وصولًا إلى هيكل السيارة وموادها الداخلية.
عمليًا، يحدد مستوى الضوضاء والاهتزازات ما إذا كانت السيارة مريحة أم غير مريحة. قد تشعر سيارتان بمحركات وأداء متشابهين باختلاف كبير في مستوى الضوضاء والاهتزازات فيهما. يحلل المهندسون كيفية تدفق الطاقة عبر السيارة ويطبقون إجراءات مضادة للتحكم بها قبل وصولها إلى السائق والركاب. يجمع هندسة الضوضاء والاهتزازات بين الفيزياء، وعلم الصوت، وعلوم المواد، والإلكترونيات، والإدراك البشري، مما يجعلها من أكثر جوانب تطوير السيارات تعقيدًا.
ماذا يعني مصطلح "الضوضاء" في مجال NVH؟
في هندسة الضوضاء والاهتزازات، تشير الضوضاء إلى أي صوت غير مرغوب فيه يصدره المركب أثناء التشغيل. ولا يُعرَّف الضجيج فقط بشدته؛ فالنغمة والتردد والاتساق لها أهمية بالغة أيضاً. ويُصنَّف الضجيج عموماً إلى فئتين:
-
الضوضاء المحمولة جواً: هي الأصوات التي تنتقل عبر الهواء قبل دخولها إلى المقصورة. ومن أمثلتها ضوضاء الرياح، وصوت احتكاك الإطارات، وصوت سحب الهواء من المحرك، وصوت العادم. ويؤثر الشكل الانسيابي وجودة العزل الصوتي بشكل كبير على مستويات الضوضاء المحمولة جواً.
-
الضوضاء المنقولة عبر الهيكل: تبدأ هذه الضوضاء كاهتزاز في أحد المكونات الصلبة. ينتقل هذا الاهتزاز عبر هيكل السيارة، مما يؤدي إلى انبعاث الصوت من الألواح أو الزخارف أو الزجاج. غالبًا ما يندرج صوت أزيز التروس وضوضاء نظام نقل الحركة ضمن هذه الفئة.
يركز مهندسو NVH على التحكم في الضوضاء عبر نطاقات تردد محددة لأن السمع البشري أكثر حساسية لنطاقات معينة، وخاصة بين 1000 و 5000 هرتز.
ماذا يعني مصطلح "الاهتزاز" في NVH؟
الاهتزاز هو تذبذب ميكانيكي ينتج عن حركة أو دوران مكونات معينة. في المركبات، يُعدّ الاهتزاز أمرًا لا مفر منه؛ والأهم هو كيفية التحكم فيه وعزله. تشمل مصادر الاهتزاز ما يلي:
-
قوى احتراق المحرك
-
القوى الكهرومغناطيسية للمحرك الكهربائي
-
الأعمدة والتروس الدوارة
-
عدم انتظام سطح الطريق
-
حركة التعليق
تتميز الاهتزازات بالتردد والسعة والاتجاه. غالبًا ما تُحس الاهتزازات منخفضة التردد على شكل اهتزاز أو دويّ، بينما يمكن إدراك الاهتزازات عالية التردد على شكل طنين في عجلة القيادة أو الدواسات. يستخدم مهندسو NVH مكونات عازلة، تشمل قواعد التثبيت والبطانات والإطارات الفرعية، لمنع انتقال الاهتزازات إلى مقصورة الركاب.
ماذا يعني مصطلح "الخشونة" في مجال الضوضاء والاهتزاز والخشونة؟
الخشونة هي استجابة الإنسان الذاتية للقوى المفاجئة أو غير المنتظمة. لا يتعلق الأمر بمدى ارتفاع الصوت، بل بمدى سرعة انتقال الطاقة إلى الجسم. قد تكون السيارة هادئة ومع ذلك تُشعِر بالخشونة. على سبيل المثال، قد ينقل نظام التعليق القاسي الصدمات الحادة الناتجة عن الحفر حتى لو كانت مستويات الضوضاء منخفضة. يتفاعل الجهاز العصبي البشري بقوة مع التغيرات السريعة في القوة، مما يجعل الخشونة أحد أصعب عناصر التحكم في الضوضاء والاهتزازات والخشونة (NVH) من حيث الضبط. تتأثر الخشونة بما يلي:
-
هندسة نظام التعليق والتخميد
-
صلابة الجلبة
-
مرونة الجدار الجانبي للإطار
-
مطابقة المقاعد والمواصفات الداخلية
غالباً ما يتطلب تقليل خشونة الطريق إجراء مفاضلات فيما يتعلق بدقة التحكم وردود فعل الطريق.
ماذا تعني "الصوتيات الخاصة بالمركبات" في سياق الضوضاء والاهتزازات والخشونة؟
علم صوتيات المركبات هو دراسة كيفية تفاعل الصوت داخل المركبة وحولها. ويركز في مجال الضوضاء والاهتزازات والخشونة (NVH) على انتشار الصوت وانعكاسه وامتصاصه ورنينه داخل المقصورة. يشمل علم صوتيات المركبات ما يلي:
-
أنماط الرنين داخل المقصورة
-
الموجات المستقرة بين الأسطح الداخلية
-
امتصاص الصوت بواسطة المواد
-
انعكاس الصوت من الزجاج والألواح الصلبة
يُعد علم النفس الصوتي مكونًا رئيسيًا في هندسة الصوت بالمركبات، وهو يدرس كيفية إدراك البشر لجودة الصوت. لا يقتصر عمل المهندسين على ضبط مستويات الصوت فحسب، بل يشمل أيضًا ضبط خصائصه، لضمان أن تبدو الأصوات سلسة ومتناسقة ومقصودة.
لماذا تعتبر الضوضاء والاهتزازات والخشونة أمراً بالغ الأهمية في المركبات الحديثة
أصبحت مستويات الضوضاء والاهتزازات والخشونة (NVH) ذات أهمية متزايدة مع انخفاض مستوى الضوضاء في المركبات بشكل عام. تساهم تحسينات المحركات والديناميكا الهوائية والكهرباء في تقليل مصادر الضوضاء التقليدية، مما يكشف عن اضطرابات أصغر حجماً وأعلى تردداً كانت مخفية سابقاً. يرتبط انخفاض مستويات الضوضاء والاهتزازات والخشونة بما يلي:
-
تقليل إجهاد السائق
-
راحة محسّنة أثناء القيادة لمسافات طويلة
-
جودة بناء أعلى في المحصلة
-
هوية علامة تجارية أقوى
في الأسواق التنافسية، غالباً ما يميز أداء الضوضاء والاهتزازات السيارات الفاخرة أكثر من أرقام الأداء الخام.
المصادر الرئيسية للضوضاء والاهتزازات في السيارات
-
الضوضاء والاهتزازات في نظام نقل الحركة: تولد محركات الاحتراق الداخلي الضوضاء والاهتزازات من عمليات الاحتراق والحركة الترددية ونبضات العادم. أما المحركات الكهربائية فتولد الضوضاء والاهتزازات من خلال القوى الكهرومغناطيسية وضوضاء التبديل عالية التردد.
-
مستويات الضوضاء والاهتزازات على الطرق والإطارات: تنقل الإطارات الضوضاء والاهتزازات إلى داخل السيارة. ويؤثر كل من نقش المداس، وتركيبة المطاط، وضغط النفخ، وخشونة سطح الطريق على سلوك الضوضاء والاهتزازات.
-
الضوضاء والاهتزازات الديناميكية الهوائية: تنتج ضوضاء الرياح عن انفصال تدفق الهواء والاضطراب حول العناصر الخارجية مثل المرايا، وأختام الأبواب، وقضبان السقف. وتزداد هذه الضوضاء والاهتزازات الديناميكية الهوائية بسرعة مع زيادة السرعة.
-
نظام الضوضاء والاهتزازات المساعد: تساهم مراوح التبريد والمضخات والضواغط والوحدات الإلكترونية في الضوضاء والاهتزازات التي تصبح أكثر وضوحًا في الكبائن الهادئة.
ما هو اختبار NVH؟
اختبار NVH هو عملية قياس وتحليل الضوضاء والاهتزازات خلال جميع مراحل تطوير المركبة. تشمل طرق اختبار NVH ما يلي:
-
ميكروفونات لقياس ضغط الصوت
-
مقاييس التسارع لقياس الاهتزاز
-
تحليل التكرار والترتيب
-
تحليل الأنماط لتحديد البنى الرنانة
تُجرى الاختبارات في بيئات مُحكمة مثل الغرف شبه عديمة الصدى، بالإضافة إلى ظروف الطرق. وتُكمّل التقييمات الذاتية التي يُجريها مهندسون مُدرّبون البيانات الموضوعية.
الضوضاء والاهتزازات في المركبات الكهربائية والهجينة
تُشكّل المركبات الكهربائية والهجينة تحديات جديدة في مجال الضوضاء والاهتزازات، لأنها تُزيل ضوضاء الاحتراق التي كانت تُخفي الأصوات الثانوية. ومن أبرز مخاوف الضوضاء والاهتزازات في المركبات الكهربائية ما يلي:
-
ضوضاء صوتية ناتجة عن محرك كهربائي
-
ترددات تبديل العاكس
-
تشغيل أنظمة التبريد
-
تزايد هيمنة ضوضاء الإطارات والطريق
تعتمد هندسة NVH للسيارات الكهربائية بشكل كبير على ضبط البرمجيات، والتحكم في الضوضاء عالية التردد، والتحسين النفسي الصوتي.
مستقبل هندسة الضوضاء والاهتزازات
مع اتجاه المركبات نحو الكهرباء والقيادة الذاتية، ستزداد أهمية التحكم في الضوضاء والاهتزازات. فالمقصورات الهادئة تُضخّم كل صوت متبقٍ، مما يجعل الدقة ضرورية. وسيركز تطوير التحكم في الضوضاء والاهتزازات مستقبلاً على ما يلي:
-
أنظمة إلغاء الضوضاء النشطة
-
حوامل ومخمدات قابلة للتكيف
-
مواد صوتية متطورة وخفيفة الوزن
-
التنبؤ بالضوضاء والاهتزازات وتحسينها بمساعدة الذكاء الاصطناعي
سيتم تصميم نظام NVH بشكل متزايد كنظام متكامل بدلاً من التعامل معه كتحسين في مرحلة متأخرة.
